Оптическая физика (стр. 6 из 7)
Для получения линейно поляризованного света на практике часто применяют поляроиды, изготовленные из кристаллов турмалина или геропатита. Каждый поляроид характеризуется оптической осью U, которая представляет собой выделенное направление. Физический смысл выделенного направления в данном случае заключается в следующем. Пусть на поляроид перпендикулярно его плоскости, содержащей оптическую ось, падает свет. Электрический вектор Е э/м волны можно разложить на две составляющих. Эти составляющие всегда можно выбрать так, что одна из них, например, Еy будет параллельна оптической оси U, а другая, назовем ее Еx, перпендикулярна U. Если на поляроид направить естественный свет, то через поляроид пройдут только те э/м волны, электрические векторы E которых имеют составляющие Еy (параллельные оптической оси поляроида). При этом происходит поляризация естественного света. Два поляроида называются скрещенными, если их плоскости параллельны, а оптические оси перпендикулярны друг другу. Т.о, два скрещенных поляроида не пропускают свет, независимо от того, поляризован он предварительно или нет.
Если линейно поляризованный свет проходит через плоскопараллельный слой вещества, то в некоторых случаях плоскость поляризации света оказывается повернутой относительно своего исходного положения (рис.2). Это явление называется вращением плоскости поляризации или оптической активностью.
Как было отмечено выше, система из двух скрещенных поляроидов не пропускает естественный свет. Однако, если между скрещенными поляроидами ввести пластинку кварца, вырезанную таким образом, что при прохождении через нее света происходит поворот плоскости поляризации на 900, то система, состоящая из скрещенных поляроидов и кварцевой пластинки, будет пропускать свет.
В физической оптике, поляроид, предназначенный для поляризации естественного света, принято называть поляризатором. Анализатором называют поляроид, который предназначен для анализа поляризованного света Следовательно, в данной работе ближайший к источнику света поляроид является поляризатором, второй поляроид - анализатором. Рассмотрим прохождение света через систему поляризатор - кварцевая пластинка - анализатор более подробно.
1. При освещении естественным светом через поляризатор пройдут только те э/м волны, векторы E которых имеют составляющие Еy, параллельные оптической оси поляризатора U. При этом, электрический вектор E, каждой прошедшей через поляризатор э/м волны будет равен по абсолютной величине электрическому вектору Еy.
2. В дальнейшем, прошедшие поляризатор э/м волны проходят через кварцевую пластинку. Отметим, что прошедшие поляризатор световые э/м волны линейно поляризованы, причем таким образом, что плоскость поляризации э/м волн параллельна оптической оси поляризатора. При прохождении через кварцевую пластинку э/м волн их плоскость поляризации поворачивается на 900, в результате чего она становится параллельной оптической оси анализатора, и, как следствие, все э/м волны, прошедшие через кварцевую пластинку, пройдут через анализатор без ослабления интенсивности.
Кроме некоторых твердых тел способностью вращать вектор E э/м волн обладают также и некоторые жидкие тела, например раствор сахара, виннокаменная кислота, растворы ее солей и др..
В зависимости от пространственной структуры молекул или кристаллической решетки вещество может вращать плоскость поляризации по часовой стрелке (вправо, если смотреть навстречу лучу)или против часовой стрелки (влево).Поэтому говорят о двух модификациях оптически активных веществ (оптических изомерах) — правовращающих веществах (d – типа) и левовращающих (i - типа). Пространственные формы молекул i- и d-типа являются зеркальными отображениями друг друга: их нельзя совместить ни поворотом, ни перемещением (трансляцией). Оптическую активность многих веществ связывают с наличием асимметрического атома углерода, который, присоединяя различные атомы или радикалы, образует молекулы с зеркальной симметрией.
Модели зеркально-симметричных молекул яблочной кислоты изображены на рисунке 3. Молекулы сахара и других органических соединений содержат по нескольку асимметричных атомов углерода, что обусловливает возможность существования различных зеркально-симметричных структурных форм этих молекул.
Био установил на опыте, что угол поворота a плоскости поляризации пропорционален толщине l оптически активного вещества:
a=a0Сl. (1)
Величина a0 характеризует оптическую активность жидкостей и называется постоянной удельного вращения. С – объёмная концентрация раствора активного вещества в неактивном растворителе. Следовательно, a0 есть угол на который повернется плоскость поляризации при прохождении э/м волной единичной длины в растворе с единичной концентрацией вещества. Следует отметить, что в общем случае постоянная удельного вращения a0 зависит от температуры оптически активного вещества и длины э/м волны. Поэтому при определении a указывают для какой длины волны и при какой температуре определялось a
Т.о., измерив экспериментально угол поворота плоскости поляризации a, длину оптически активного вещества l и зная константу удельного вращения a, можно из формулы (1) определить концентрацию раствора С. Если же константа удельного вращения aо неизвестна, но известна концентрация раствора С, то из формулы (1) можно найти константу удельного вращения a0
Описание экспериментальной установки
Установка для определения концентрации сахара в водном растворе представлена на рисунке 4:
Установка состоит из: источника света (лампа накаливания)-1, поляризатораа-2, изготовленного из поляроидной пленки, кварцевой пластинки-3 , зрительной трубы-4, трубки с исследуемым раствором или жидкостью-5, системы анализатора, которая состоит из неподвижного лимба-6, вращающегося фрикциона -7, анализатора -8, ручки настройки резкости -9.
В круговом поляриметре применен принцип выравнивания контрастов полей зрения, которые имеют место в поляриметре без трубки 5 и с трубкой 5, содержащей исследуемый раствор или жидкость.
В общем случае при вращении анализатора в поляриметре можно наблюдать три основных (наиболее контрастных) поля зрения:
1. Если оптические оси поляризатора и анализатора параллельны, то та площадь поля зрения, которая освещается световыми волнами, прошедшими через кварцевую пластинку, будет наиболее темной, в то время, как площадь, освещаемая световыми волнами, которые не проходили через кварцевую пластинку - наиболее светлой, т.е. освещенность данной площади будет максимальной (рис.5а).
2. Если оптические оси поляризатора и анализатора перпендикулярны, то площадь поля зрения, которая освещается световыми волнами, прошедшими через кварцевую пластинку, будет характеризоваться максимальной освещенностью, в то время как площадь освещаемая, световыми волнами, которые не проходили через кварцевую, пластинку - наиболее темной, т.е. освещенность данной площади будет минимальной (рис.5б).
3. Если угол между оптическим осями поляризатора и анализатора составляет 450, то все поле зрения будет освещено равномерно, причем освещенность в данном случае составит величину приблизительно равную 0.7 от максимально возможной (рис.5в).
Три наиболее контрастных поля зрения (рис.5(а-в)) в поляриметре можно наблюдать путем вращения фрикциона 7 (рис.4) по или против часовой стрелки, в результате чего также будет вращаться анализатор. Каждое из указанных полей зрения характеризуется определенным положением нониуса I или II на шкале лимба (в градусах). Таким образом, настроив поляриметр без трубки с исследуемым раствором сахара на какое-либо одно из тpёx указанных выше полей зрения, мы можем по нониусу I или II определить его положение в градусах a0I или a0II. Здесь a0I- положение данного поля зрения по нониусу I, a0II положение данного поля зрения по нониусу II. При введении в поляриметр трубки с раствором сахара контрастность поля зрения изменяется (ухудшается). Изменение контрастности происходит в результате вращения сахарным раствором плоскости поляризации, т.е. при прохождении э/м волной в растворе определённого пути плоскость поляризации поворачивается на определенный угол a. Для того, чтобы определить a, нужно путем вращения фрикциона 7 повернуть анализатор так, чтобы восстановить поле зрения (и его контрастность), которое наблюдалось в поляриметре до введения в него трубки с исследуемым раствором сахара. При этом положение нониуса I составит a1I, а положение нониуса II - a1II. Т.о. искомый угол поворота плоскости поляризации a будет равен: